La conception par simulation appliquée aux véhicules électriques et hybrides

Les ingénieurs spécialistes des groupes motopropulseurs pour véhicules électriques et hybrides ont pour mission d’optimiser systématiquement le rendement énergétique, la stabilité et la fiabilité des systèmes, sans pour autant faire exploser les budgets de fabrication. Les convertisseurs sont au cœur des organes de transmission automobiles. Généralement composés de six transistors bipolaires à porte isolée (IGBT), ces systèmes de 10 x 15 cm génèrent des centaines d’ampères de courant alternatif pour alimenter le moteur, les composants électroniques et autres équipements embarqués, en alternant très rapidement l’ouverture et la fermeture du circuit électrique. Leur fréquence de commutation s’étend de quelques dizaines à plusieurs centaines de kHz, avec des temps d’ouverture et de fermeture du circuit de l’ordre de 50 à 100 nanosecondes.

Si cette rapidité de commutation est essentielle à l’efficacité des IGBT équipant les convertisseurs, elle est également à l’origine de deux problèmes électromagnétiques majeurs. Les émissions par conduction (des structures conductrices de courant) sont généralement inférieures à 30 MHz. Elles peuvent induire des problèmes d’intégrité de puissance ou la réflexion d’ondes énergétiques risquant d’endommager le convertisseur ou le moteur. Quant aux champs électromagnétiques rayonnés (par l’air), ils sont généralement supérieurs à 30 MHz et peuvent affecter les nombreux autres systèmes électroniques d’un véhicule.

Ces problèmes d’interférence sont tous deux visés par les réglementations gouvernementales et normes internationales sur les émissions électromagnétiques des véhicules. C’est donc au niveau de l’architecture de base des groupes motopropulseurs que les ingénieurs doivent traiter les questions de compatibilité électromagnétique (CEM) et d’interférences électromagnétiques (IEM). Pour ce faire, ils n’ont d’autre choix que d’étudier les réactions physiques à l’origine des effets électromagnétiques pour développer des solutions de régulation à intégrer aux circuits et systèmes. Cette approche par simulation permet, en outre, d’aborder d’autres questions liées à l’électricité magnétique, que sont la qualité du courant électrique, la dissipation d’énergie et le rendement énergétique global du système.

De manière générale, effectuer ces calculs à partir de circuits linéaires au moyen de simples solveurs circuits implique de nombreuses approximations et des hypothèses excessivement simplifiées. Sans simulation des réactions physiques sous-jacentes, les résultats ne seront pas probants. Et il faudra multiplier les prototypes et cycles de test et de réajustement avant d’obtenir le niveau de performance voulu. Dans la plupart des cas, ces cycles de test n’interviennent qu’à un stade avancé du processus de conception, avec le risque d’une majoration des coûts et de retards de commercialisation. Prédire les effets électromagnétiques au plus tôt, avant de fabriquer le convertisseur, est quasiment impossible sans simulation multiphysique.

Les outils multiphysiques permettant d’étudier le comportement électromagnétique d’équipements comme les IGBT sont déjà sur le marché. Il s’agit de simuler le modèle de circuit à semi-conducteurs de l’IGBT et le modèle de convertisseur, puis d’y appliquer l’alimentation, la charge et les commandes, afin d’analyser les émissions par conduction. Un logiciel dédié servira à l’ingénieur pour évaluer les émissions rayonnées de ces simulations, point particulièrement important du fait des harmoniques de fréquences provoquées par la rapidité d’ouverture et de fermeture du circuit. En obtenant une visibilité totale des champs rayonnés, on peut calculer leur intensité en tout point et vérifier la conformité aux normes de l’ensemble convertisseur.

Ces outils permettent de pointer les problèmes de compatibilité électromagnétique et les interférences électromagnétiques du futur convertisseur, de sorte que les ingénieurs puissent remonter à la source au niveau de l’assemblage physique du système. Ils ajustent alors les paramètres et effectuent autant de simulations que nécessaires jusqu’à atteindre des niveaux acceptables d’émissions électromagnétiques par conduction et par rayonnement.

Tout l’intérêt de la méthode est qu’une fois les modèles et leurs représentations finalisés, il est possible de les modifier en ajustant les principaux paramètres pour envisager des alternatives et examiner plusieurs hypothèses. Le modèle d’étude est conforme aux spécifications et parfaitement optimisé, avant même qu’aucune pièce ait été fabriquée.

L’approche de simulation multiphysique permet de réduire le temps de process et revient bien moins cher que la création et les tests de prototypes. Les entreprises mettent ainsi toutes les chances de leur côté pour commercialiser plus rapidement des produits finis de meilleure qualité.

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FOCUS

Scott Stanton et Mark Ravenstahl travaillent tous deux chez Ansoft, une division du spécialiste des technologies et logiciels de simulation ANSYS. Ansoft a développé son expertise à travers une suite de logiciels spécialisée dans la simulation de champs électromagnétiques et la simulation de circuit et de système.
La suite Ansoft comprend une gamme complète d’outils particulièrement utiles pour le développement de convertisseurs :
• Simplorer : simulateur de circuit et de système permettant d’étudier les interactions de composants électriques, thermiques, mécaniques, magnétiques et hydrauliques
• Q3D Extractor : simulateur quasi-statique de champ électromagnétique pour le calcul en fonction de la fréquence des paramètres RLGC (Résistance, Inductance, Conductance et Capacitance) de structures conductrices
• HFSS : logiciel de simulation par éléments finis permettant d’extraire les paramètres parasites et de visualiser les champs électromagnétiques en 3D

Par Alexandre Guillet, Scott Stanton, directeur technique en charge des projets de développement, et Mark Ravenstahl, directeur du marketing et de la communication d’Ansoft, une division de ANSYS, Inc.